Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

ナノ材料 / ナノ粒子 / メゾスコピック系 / 自己組織化 / 無機有機ハイブリッド / 合成化学 / 多孔体

高次構造制御されたシリカ系ナノ構造体の合成と機能付与に向け、出発分子となる有機シロキサンオリゴマーを設計した。出発分子の精密な設計や有機分子の添加により、多様なメソ構造を形成した。本手法を発展させ、有機分子を包含可能なポリマーにアルコキシシリル基を導入した分子を設計し、メソ構造体へと転換した。これらの分子の自己組織化により、機能を付与したメソ構造体の作製が可能となった。また、メソポーラスシリカはメソ構造の高い設計性、骨格由来の機械的強度、制限された反応場として利用できるメソ孔を有するなど、メソ構造の鋳型として有用である。そこで本研究ではメソポーラス金属の合成場として利用し、新規メソ構造や組成を有するメソポーラス金属を合成した。

表面・界面物性 / メゾスコピック系 / ナノ材料 / 自己組織化 / フラクタル / フラクタル立体 / 超撥水表面 / 撥油表面 / 電解酸化重合 / ゾル-ゲル法 / ゾル-ゲル反応

本研究の、平成16年度〜平成18年度における、主な成果は次の通りである。
1.耐久性の超撥水/高撥油性フラクタル表面の開発
自発的にフラクタル表面を形成し、世界一水をはじく表面となるワックス(アルキルケテンダイマー:AKD)の欠点である耐久性を向上させる研究を行った。アルキルピロールの電解酸化重合法により、耐熱性と耐溶剤性の高い、超撥水性のフラクタル表面の開発に成功した。この表面をフッ素系のシランカップリング剤で処理することにより、耐久性の高撥油表面の合成にも成功した。
2.ワックスの自発的フラクタル構造表面形成メカニズムの解明
AKDが自発的にフラクタル表面を形成するメカニズムについて研究した。モデル化合物としてトリグリセリド・ワックスを用いて研究した結果、このワックスが融液から結晶化する過程において、先ず準安定な結晶相であるα-相が出現し、それが安定相であるβ-相に相転移する過程でフラクタル構造の表面が形成されることが明らかになった。AKDについて同様の研究を行った結果、同じメカニズムでフラクタル表面が形成されることが分かった。
3.フラクタル立体の創製
理論的には、体積が無限小で表面積が無限大の、フラクタル立体の創製を行った。その際、フラクタル表面を自発的に形成するワックスである、先述のAKDを利用した。表面がフラクタル構造のAKD微粒子を鋳型としてゲル-ゾル法を行い、内部がフラクタルのシリカの立体を合成した。
4.フラクタル表面の細胞培養基盤への応用フラクタル表面の新しい応用として、細胞培養基盤としての検討を行った。神経細胞の1種であるアストロサイトは、平らな表面上では平たく拡がった形態をとるが、フラクタルAKD表面上で培養すると、分化した形状に似た星型の微小突起のみが現れる。これは新しい細胞培養基盤の開発に繋がり、再生医療への応用も期待される興味深い結果である。
以上の結果を基に、論文15報、学会発表26件、特許出願4件の成果を得た。以上の成果により、本研究の所期の目的を達成することが出来た。

非平衡開放系 / レーザー / リズム / パターン形成 / メソスコピック系 / 自発運動 / 相分離ダイナミクス / 反応拡散系 / 分子機械 / レーザートラップ / 相分離 / 自己組織化 / 化学-機械エネルギー変換 / 非平衡 / 非線形 / 光ピンセット / 分岐現象 / 無容器反応系 / 遺伝子導入 / 光トラップ / ミクロ相分離 / 単一分子操作 / ミクロモータ / 非線形振動 / 光モータ / 微小液滴 / 長鎖DNA

非平衡開放系の物理を理解することは、宇宙から生物にいたるまで、さまざまなスケールの物理を考える際に重要な課題である。そこで、われわれはマイクロメートル〜ミリメートルのスケールの定常的な非平衡開放条件を集光レーザー場を用いて形成することを目的として研究を進めてきた。すなわち、集光レーザーによって物体をトラップしながら、光子としてのエネルギー注入による非平衡開放条件下で引き起こされる動的な非線形現象についての実験をデザインし、非平衡開放系に関する実験モデル系の確立、理論的基盤の構築を目指した。その結果、次に示すような重要な成果を得ることができた。
・定常的な集光レーザー場中における高分子・脂質チューブの周期的構造変化
・レーザーにより誘起されるマイクロメートルスケールの相分離現象
・レーザーエネルギー注入による液滴の振動・消滅リズム
・レーザー照射位置の制御による液滴の自発的運動の制御
また、レーザーによる非平衡系での現象と対比させて考えるため、化学エネルギーの勾配により駆動される自発運動についても研究を行い、次の成果をあげた。
・界面活性剤水溶液中における油滴のガラス基板上自発的運動
・水-アルコール系におけるアルコール液滴の自発的運動
・BZ反応液滴の自発的運動
これらは光エネルギー・化学エネルギーを注入源とする非平衡開放場であると捉えることにより、非線形微分方程式で記述可能であることを示した。このような定式化により、実験系の制御やデザインができるようになってきている。理論的考察を通じて、非平衡開放条件下、自発的にリズムやパターンの生成する現象についての、新奇なシナリオを構築することに成功した。

【研究連携者】
若林隆太郎	早稲田大学	理工学術院	助手	(Kakenデータベース)
長田師門	早稲田大学	理工学術院	助手	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
眞山博幸	北海道大学	電子科学研究所	助手	(Kakenデータベース)
松尾剛	北海道大学	電子科学研究所	助手	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
北畑裕之	京都大学	大学院・理学研究科	助手	(Kakenデータベース)
小穴英廣	京都大学	大学院・理学研究科	助手	(Kakenデータベース)